DE102006046313B3

DE102006046313B3 - Method for structuring fiber optic line along longitudinal axis e.g., for telecommunications, involves passing laser beam through focusing optics onto surface of fiber

Info

Publication number: DE102006046313B3
Application number: DE102006046313A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Fuchs; Uwe Dr. Zeitner; Andreas Prof. Dr. Tünnermann; Jens Ulrich Dipl.-Phys. Thomas; Elodie Dipl.-Phys. Wikszak; Stefan Prof. Dr. Nolte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: EP1906220A3; EP1906220A2

Abstract

A structuring method in which along the z-optic axis a laser beam is directed onto the surface of a fiber (3), the Rayleigh length (P) of the optical system (1a,2) consisting of the laser (1a) and the focusing optics (2) is adjusted so that the minimum of the correlation (z'(z)) between the beam waste position (z') of the surface (3a) of the fiber (3) facing the optical system (1a,2) and the beam waste position (z) of the fiber incident on this system, falls in this region of the fiber core. An independent claim is included for an arrangement with laser and focusing optics.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Strukturieren einer lichtleitenden Faser entlang deren Längsachse sowie eine Anordnung, mit der das Verfahren ausgeführt wird. Das Verfahren und die Anordnung beziehen sich insbesondere auf die longitudinale Strukturierung von Fasergittern.The The present invention relates to a method of patterning a light-conducting fiber along its longitudinal axis and an arrangement, with which the procedure is carried out becomes. The method and the arrangement relate in particular on the longitudinal structuring of fiber gratings.

Ein Verfahren und eine Anordnung zum Strukturieren einer lichtleitenden Faser entlang deren Längsachse basierend auf der nicht-linearen Absorption von Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16 ist aus der Veröffentlichung „Direct inscription of Bragg gratings in coated fibers by an infrared femtosecond laser" (A. Martinez et al., Optics Letters, Vol. 31, No. 11, June 2006) bekannt. Aus dieser Veröffentlichung ist es aber weder bekannt noch nahegelegt, ein Verfahren und eine Anordnung wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 16 vorzusehen.One Method and an arrangement for structuring a light-conducting Fiber along its longitudinal axis based on the non-linear absorption of laser radiation after the preamble of patent claim 1 and the preamble of the claim 16 is from the publication "Direct inscription of Bragg gratings in coated fibers by anemic femtosecond laser "(A. Martinez et al., Optics Letters, Vol. 31, no. 11, June 2006). From this publication but it is neither known nor obvious, a method and a Arrangement as provided in the characterizing part of claim 1 or 16.

Fasergitter sind Schlüsselkomponenten für optische Telekommunikations-Systeme und Sensorik-Anwendungen. Sie stellen günstige, flexible und integrierte Komponenten dar, mit denen man das optische Transmissionsspektrum beliebig filtern kann. In den letzten Jahren werden Fasergitter auch für hochintegrierte Faserlaser angewendet. Etablierte Techniken zur Herstellung von Fasergittern stoßen insbesondere bei Hochleistungslasern aber an ihre Grenzen.fiber grating are key components for optical Telecommunication systems and sensor applications. they provide cheap, flexible and integrated components that allow the optical Transmission spectrum can arbitrarily filter. In recent years fiber grids are also for highly integrated Fiber laser applied. Established techniques for the production of Fiber gratings come in particular but at high power lasers to their limits.

Klassische Techniken zur Herstellung von Fasergittern basieren auf der Bestrahlung eines photosensitiven Faserkerns mit UV-Laserlicht. Einerseits setzt dies eine chemische Vorbehandlung des Faserkerns (Dotierung oder Anreicherung mit Wasserstoff) voraus, welche die Wahl des Fasermaterials einschränkt (für den Fall der Dotierung) oder es ist eine Nachbehandlung (wie Tempern) der Faser erforderlich, um das Gitter zu stabilisieren. Bei aktiven Fasern und photonischen Kristallfasern ist die Dotierung technisch schwer zu realisieren. Hinzu kommt, dass Gitter in photosensitivem Material bei hohen Lichtleistungen ausbleichen können.Classical Techniques for making fiber gratings are based on irradiation a photosensitive fiber core with UV laser light. On the one hand sets this is a chemical pretreatment of the fiber core (doping or Enrichment with hydrogen), which determines the choice of fiber material restricts (for the Case of doping) or it is an aftertreatment (such as tempering) the fiber needed to stabilize the grid. In active Fibers and photonic crystal fibers, the doping is technical difficult to realize. In addition, grids in photosensitive Bleach material at high light output.

Daher wurden in jüngerer Zeit Fasergitter in nicht-photosensitiven Fasern hergestellt, wobei die Herstellung auf nichtlinearer Absorption von ultrakurzer Laserstrahlung basiert. Diese Strukturänderung setzt eine hinreichend hohe Leistungsdichte voraus, die nur im Laserfokus erreicht wird. Das bedeutet, dass – im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken – der Laserfokus innerhalb der Faser präzise auf den Faserkern ausgerichtet werden muss. Die Positionierung ist daher kritisch für ein erfolgreiches Strukturieren mit ultrakurzer Laserstrahlung.Therefore were younger Time fiber grating in non-photosensitive Fibers produced, the preparation being based on nonlinear absorption based on ultra-short laser radiation. This structural change sets a sufficiently high power density ahead, only in the laser focus is reached. That means that - unlike traditional ones Techniques - the Laser focus within the fiber precisely aligned with the fiber core must become. Positioning is therefore critical to a successful one Structuring with ultrashort laser radiation.

Bei der Herstellung von Fasergittern in nicht-photosensitiven Fasern erfolgt die Positionierung der Faser bisher basierend auf der Detektion des transmittierten Laserlichts hinter der Faser oder am Faserende, mit Photodioden oder Photomultipliern oder unter Verwendung von zwei Kameras. Um die Brechzahlveränderung auf den Kern zu beschränken, wurden klassische Techniken, wie Anreicherung des Kerns mit Wasserstoff, demonstriert. Solche Methoden setzen jedoch eine Vor- und Nachbehandlung der Faser voraus.at the production of fiber gratings in non-photosensitive fibers is the positioning the fiber so far based on the detection of the transmitted Laser light behind the fiber or at the fiber end, with photodiodes or photomultipliers or using two cameras. To the Refractive index change to confine to the core were classical techniques, such as enrichment of the nucleus with hydrogen, demonstrated. However, such methods set a pre- and post-treatment ahead of the fiber.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Strahlformungs- und Positionierungsverfahren zum longitudinalen Strukturieren von lichtleitenden Fasern (welches auf der nichtlinearen Absorption von Laserstrahlung basiert) zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache Art und Weise eine präzise Ausrichtung des Laserfokus auf den Faserkern ermöglicht, welches also eine einfache Ausrichtung des optischen Systems auf die Faser erlaubt und möglichst unempfindlich gegen Dejustierungen bzw. Verschiebungen einzelner Komponenten aus der Ausrichtungsposition ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darüberhinaus, eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.task The present invention is therefore a Strahlformungs- and Positioning method for longitudinal structuring of photoconductive Fibers (which is based on the nonlinear absorption of laser radiation based) which, in a simple way, a precise alignment allows the laser focus on the fiber core, which therefore a simple Alignment of the optical system to the fiber allowed and possible insensitive to misalignments or shifts of individual Components from the alignment position is. Task of the present Invention is moreover a corresponding arrangement for carrying out the method according to the invention to disposal to deliver.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Anordnung nach Anspruch 16 gelöst. Die Lösung der vorliegenden Aufgabe basiert zunächst auf der grundlegenden Idee, den Beitrag, den die Krümmung der Faser zur Fokussierung liefert, bei der Auslegung des optischen Systems entsprechend zu berücksichtigen. Dies wurde bisher nicht mit einbezogen, insbesondere auch, weil bei starker Fokussierung der Laserstrahlung der Einfluss der Faserkrümmung nur gering ist. Darauf aufbauend wurde dann der Einfluss des Abstands zwischen Faser und Fokussierungsoptik auf die Fokusposition innerhalb der Faser soweit wie möglich begrenzt. Dieses wird erreicht, indem die Rayleighlänge des optischen Systems geeignet gewählt wird, wie es nachfolgend noch genauer beschrieben ist. Durch diese geeignete Wahl der Rayleighlänge wird die resultierende Fokusposition unempfindlicher gegenüber einer Variation des Abstands zwischen Faser und Fokussierlinse.The The object is achieved by a method according to claim 1 and an arrangement solved according to claim 16. The solution The present task is based initially on the fundamental Idea, the contribution that the curvature of the Fiber for focusing supplies, in the design of the optical System accordingly. This has not been included, especially because with strong focusing of the laser radiation, the influence of the fiber curvature only is low. Building on this was the influence of the distance between fiber and focusing optics within the focus position the fiber as far as possible limited. This is achieved by taking the Rayleigh length of the optically selected system is, as described in more detail below. By this suitable Choice of Rayleigh length the resulting focus position becomes less sensitive to Variation of the distance between the fiber and the focusing lens.

Die erfindungsgemäße Einbeziehung des Beitrags der Faserkrümmung zur Fokussierung und der geeigneten Wahl der Rayleighlänge des optischen Systems hat die folgenden Vorteile gegenüber der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik:

• Wie im nachfolgenden Ausführungsbeispiel noch näher beschrieben, zeigt sich, dass die Positionierung des Fokus in den Faserkern aufgrund der geeigneten Rayleighlängenwahl wesentlich erleichtert wird, da die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit deutlich geringer sind.
• Zudem kann durch die entsprechende Optik (geeignete Rayleighlänge) garantiert werden, dass die Brechzahländerungen nur in einem definierten Bereich der Faser stattfinden.
• Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit gleichzeitiger Lumineszenzkontrolle kann eine einfache und reproduzierbare Justage des Systems erfolgen.
• Hierdurch wird die Positionierung (Ausrichtung des optischen Systems auf die Faser) und damit die Fabrikation der longitudinal strukturierten, lichtleitenden Fasern erheblich erleichtert.

The inclusion of the contribution of fiber curvature for focusing and the proper choice of the Rayleigh length of the optical system according to the invention has the following advantages over the prior art approach:

As described in more detail in the following exemplary embodiment, it is found that the positioning of the focus in the fiber core is substantially facilitated on account of the suitable choice of Rayleigh lengths, since the requirements on the positioning accuracy are significantly lower.
• In addition, it can be guaranteed by the appropriate optics (suitable Rayleigh length) that the refractive index changes take place only in a defined area of the fiber.
When using the method according to the invention with simultaneous luminescence control, a simple and reproducible adjustment of the system can take place.
• This considerably facilitates the positioning (alignment of the optical system on the fiber) and thus the fabrication of the longitudinally structured, light-conducting fibers.

Die Erfindung wird nun anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels ausführlich beschrieben. Hierbei zeigt:The Invention will now be described in detail with reference to the following embodiment. Hereby shows:

1 den Basisaufbau eines erfindungsgemäßen Systems, 1 the basic structure of a system according to the invention,

2 wie die geeignete Rayleighlänge erfindungsgemäß festgelegt wird, 2 how the suitable Rayleigh length is determined according to the invention,

3 einen weiteren Aspekt zur erfindungsgemäßen Festlegung der Rayleighwellenlänge, 3 a further aspect for determining the Rayleigh wavelength according to the invention,

4 die Ergebnisse einer numerischen Simulation zur Beeinflussung der Position des Fokus innerhalb der Faser durch die Ausrichtung von der Faser zur Fokussierungsoptik, 4 the results of a numerical simulation to influence the position of the focus within the fiber by the orientation from the fiber to the focusing optics,

5 die Ausrichtung des optischen Systems auf die Faser mit Hilfe eines Detektors zur Lumineszenzerfassung. 5 the alignment of the optical system to the fiber by means of a detector for luminescence detection.

1 zeigt den grundlegenden Aufbau eines Strahlformungs- und Positionierungssystems, wie es zur Durchführung eines Strukturierungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 1B zeigt hierbei eine Detaildarstellung der 1A. 1 shows the basic structure of a beam forming and positioning system as may be used to carry out a patterning process according to the present invention. 1B shows here a detail of the 1A ,

Die grundlegenden Komponenten des Systems sind ein Laser 1a, eine Fokussieroptik 2 (hier: sphärische Linse) und die zu strukturierende, lichtleitende Fa ser 3. Der Laser 1a, die Linse 2 und das Zentrum der Faser 3 sind hierbei auf eine gemeinsame optische Achse z ausgerichtet. Die gezeigte Schnittansicht zeigt die Faser 3 in einem Schnitt senkrecht zu ihrer Zentralachsrichtung. Die Zentralachse der Faser 3 verläuft somit im gezeigten Fall senkrecht zur Schnittebene und fällt aufgrund der Ausrichtung auf die gemeinsame optische Achse z mit der Richtung der Koordinatenachse y des kartesischen Systems x, y, z zusammen.The basic components of the system are a laser 1a , a focusing optics 2 (here: spherical lens) and the structuring, light-conducting Fa ser 3 , The laser 1a , the Lens 2 and the center of the fiber 3 are here on a common optical axis z aligned. The sectional view shows the fiber 3 in a section perpendicular to its central axis direction. The central axis of the fiber 3 thus runs in the case shown perpendicular to the sectional plane and falls due to the orientation of the common optical axis z with the direction of the coordinate axis y of the Cartesian system x . y . z together.

Der vom Laser 1a erzeugte Laserstrahl 1 wird durch die Fokussieroptik 2 gestrahlt und auf die Faser 3 gerichtet. Der Abschnitt des Laserstrahls vor seiner Fokussierung durch die Linse 2 ist hier mit 1-1 bezeichnet. Derjenige Abschnitt des Laserstrahls, welcher auf die Oberfläche 3a der Faser 3 gerichtet wird, ist hier mit 1-2 bezeichnet. Die Oberfläche 3a ist derjenige Oberflächenabschnitt der Faser 3, welcher auf der optischen Achse in der dem optischen System 1a, 2 zugewandten Richtung angeordnet ist. Der Oberflächenabschnitt 3b bezeichnet daher denjenigen Abschnitt der Oberfläche der Faser, welcher auf der dem optischen System 1a, 2 gegenüberliegenden, also abgewandten Seite auf der optischen Achse z angeordnet ist. Mit 4 ist der Faserkern bezeichnet.The one from the laser 1a generated laser beam 1 is through the focusing optics 2 blasted and on the fiber 3 directed. The section of the laser beam before it is focused through the lens 2 is here with 1-1 designated. The portion of the laser beam which is on the surface 3a the fiber 3 is directed, is here with 1-2 designated. The surface 3a is the surface portion of the fiber 3 which is on the optical axis in the optical system 1a . 2 facing direction is arranged. The surface section 3b therefore designates that portion of the surface of the fiber which is on top of the optical system 1a . 2 opposite, so opposite side on the optical axis z is arranged. With 4 is called the fiber core.

Wie 1B in einer vergrößerten Detaildarstellung zeigt, ist der Radius des Faserkerns mit r bezeichnet. R stellt demgegenüber den Radius der gesamten Faser 3 dar. Die Detailansicht erklärt desweiteren wesentliche Größen des Laserstrahls 1 bevor er an der Faseroberfläche 3a gebrochen wird (Laserstrahlabschnitt 1-2) und des an der Faseroberfläche gebrochenen Laserstrahls (Laserstrahlabschnitt 1-3). Dies betrifft zunächst die beiden Größen z und z', welche ausgehend von dem Oberflächenabschnitt 3a entlang der optischen Achse z gemessen werden. Die Größe z bezeichnet hierbei die Strahltaillenposition (Position des geringsten Strahlquerschnitts) des auf die Oberfläche 3a einfallenden Laserstrahls 1-2. z' bezeichnet die Strahltaillenposition des an der Oberfläche 3a der Faser 3 gebrochenen Laserstrahls 1-3 (Strahltaillenposition innerhalb der Faser). Der Durchmesser der entsprechenden Strahltaillen senkrecht zur optischen Achse ist hierbei durch W₀ bzw. W'₀ bezeichnet.As 1B in an enlarged detail, the radius of the fiber core is denoted by r. In contrast, R represents the radius of the entire fiber 3 The detailed view further explains essential quantities of the laser beam 1 before joining the fiber surface 3a is broken (laser beam section 1-2 ) and the refracted at the fiber surface laser beam (laser beam section 1-3 ). This initially relates to the two variables z and z ', which starting from the surface portion 3a along the optical axis z be measured. The size z here denotes the beam waist position (position of the smallest beam cross section) of the surface 3a incident laser beam 1-2 , z 'denotes the beam waist position of the surface 3a the fiber 3 broken laser beam 1-3 (Beam waist position within the fiber). The diameter of the corresponding beam waist perpendicular to the optical axis is denoted by W ₀ or W ' ₀ .

Die Fokuslage z' innerhalb der Faser hängt nun entscheidend von der Kombination aus der Fokussierungsoptik 2 und der Krümmung der Faseroberfläche 3a sowie dem Abstand zwischen der Fokussierungsoptik 2 und der Oberfläche 3a ab (dieser Abstand ist mit d bezeichnet). Hinsichtlich der Abhängigkeit von der Fokussierungsoptik ist die Rayleighlänge des optischen Systems 1a, 2 bzw. des fokussierten Laserstrahls der entscheidende Parameter: Die Rayleighlänge ρ gibt an, in welchem Abstand von der Strahltaille W₀ sich der Strahldurchmesser um den Faktor aufweitet.The focal position z 'within the fiber now depends crucially on the combination of the focusing optics 2 and the curvature of the fiber surface 3a and the distance between the focusing optics 2 and the surface 3a from (this distance is denoted by d). With regard to the dependence on the focusing optics, the Rayleigh length of the optical system 1a . 2 or the focused laser beam, the decisive parameter: The Rayleigh length ρ indicates at which distance from the beam waist W ₀ the beam diameter expands by a factor.

Diese Abhängigkeit zeigt die in 2 gezeigte Graphik genauer. Hierbei ist die Strahltaillenposition des einfallenden, noch nicht an der Oberfläche 3a gebrochenen Laserstrahls 1-2 (Größe z auf der Abzisse) gegen die Strahltaillenposition z' innerhalb der Faser des an der Faseroberfläche gebrochenen Laserstrahls 1-3 gezeigt (z' auf der Ordinate). Bei einer sehr starken Fokussierung der Laserstrahlung (was einer kleinen Rayleighlänge entspricht) ist der Einfluss der Faseroberfläche 3a auf den Laserstrahl 1-2 vernachlässigbar. Die Position des Fokus z' kann somit frei in der Faser 3 ausgewählt werden (gestrichelte Linie A in 2). Ist demgegenüber die Fo kussierung relativ schwach (gleichbedeutend mit einer großen Rayleighlänge), so wird die wesentliche Fokussierungswirkung durch die gekrümmte Faseroberfläche 3a hervorgerufen. Ist hierbei die zugehörige Rayleighlänge zu groß (gepunktete Linie B) liegt der Fokus z' (und damit die Strahltaille W₀') auf jeden Fall, also unabhängig von der Entfernung d der Optik 2 zur Faser 3, in Bezug auf das optische System 1a, 2 gesehen hinter dem Faserkern 4. Die für die Strukturierung der Faser 3 notwendige Fokussierung in den Faserkern 4 (z.B. zur Erzeugung von faseroptischen Bragg-Gittern) ist somit in diesem Fall nicht möglich.This dependency shows the in 2 shown graphics more accurate. Here, the Strahltaillenposition of the incident, not yet on the surface 3a broken laser beam 1-2 (Size z on the abscissa) against the beam waist position z 'within the fiber of the refracted laser beam at the fiber surface 1-3 shown (z 'on the ordinate). With a very strong focusing of the laser radiation (which corresponds to a small Rayleigh length) is the influence of the fiber surface 3a on the laser beam 1-2 negligible. The position of the focus z 'can thus be free in the fiber 3 are selected (dashed line A in 2 ). In contrast, the Fo If the kussierung relatively weak (synonymous with a large Rayleighlänge), so the essential focusing effect by the curved fiber surface 3a caused. If in this case the associated Rayleigh length is too large (dotted line B), the focus z '(and therefore the beam waist W ₀ ') is in any case, ie independent of the distance d of the optics 2 to the fiber 3 , in relation to the optical system 1a . 2 seen behind the fiber core 4 , The structuring of the fiber 3 necessary focusing in the fiber core 4 (Eg for the production of fiber optic Bragg gratings) is thus not possible in this case.

Je nachdem, wie die Rayleighlänge ρ des optischen Systems 1a, 2 gewählt wird, ergibt sich nun, wie 2 zeigt, eine andere Abhängigkeit der Position z' des Fokus in der Faser von der Position z des Fokus des noch nicht gebrochenen Laserstrahls (Funktion z'(z)). Ist die Fokussierung nicht zu stark ausgeprägt (also die Rayleighlänge nicht zu klein), so tritt bei diesem Zusammenhang der Größen z und z' ein Minimum auf (Kurven B und C). Die Lage dieses Minimums (auf der optischen Achse z gesehen) in Bezug auf die Faseroberfläche 3a wird nachfolgend auch als minimale Position des Fokus bzw. als z'_min bezeichnet. Sie ist in 2 für die Kurve C eingezeichnet.Depending on how the Rayleigh length ρ of the optical system 1a . 2 is chosen, it now arises how 2 shows another dependence of the position z 'of the focus in the fiber on the position z of the focus of the not yet broken laser beam (function z' (z)). If the focus is not too pronounced (ie the Rayleigh length is not too small), a minimum occurs in this connection of the quantities z and z '(curves B and C). The location of this minimum (on the optical axis z seen) with respect to the fiber surface 3a is also referred to below as the minimum position of the focus or as z ' _min . she is in 2 for the curve C drawn.

Wie 3 zeigt, ist die minimale Position des Fokus z'_min (Ordinate) in Bezug auf die Faseroberfläche 3a von der Rayleighlänge ρ (Abszisse) des einfallenden Laserstrahls abhängig. Die Kurve C in 2 zeigt hierbei genau denjenigen Fall, in dem die Rayleighlänge so gewählt wurde, dass die minimale Position des Fokus genau im Zentrum des Faserkerns 4 zum Liegen kommt. Wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, ist dies gerade diejenige Wahl, um das erfindungsgemäße Verfahren optimal zu realisieren.As 3 shows, the minimum position of the focus is z ' _min (ordinate) with respect to the fiber surface 3a depends on the Rayleigh length ρ (abscissa) of the incident laser beam. The curve C in 2 shows exactly the case in which the Rayleigh length was chosen so that the minimum position of the focus exactly in the center of the fiber core 4 comes to rest. As will be described in more detail below, this is just the choice to optimally realize the inventive method.

Wie 1 zu entnehmen ist, legt der Abstand d zwischen Fokussierungsoptik 2 und Faseroberfläche 3a (zusammen mit der Strahlqualität und der Brennweite der Linse 2) den Abstand z der Fokusposition des noch ungebrochenen Laserstrahls 1-2 von der Faseroberfläche 3a fest. Wie man nun 2 und 3 entnimmt, kann der Einfluss des Abstands zwischen Faser und Fokussierungsoptik auf die Fokusposition z' innerhalb der Faser durch geeignete Wahl der Rayleighlänge eingeschränkt werden. Wird nämlich die Rayleighlänge genau so gewählt, dass die Position z'_min innerhalb des Faserkerns 4 zum Liegen kommt, so wird die resultierende Fokusposition z' unempfindlicher gegenüber dem Abstand d zwischen Faser 3 und Fokussierungslinse 2. Erfindungsgemäß wird somit die Rayleighlänge gerade so gewählt, dass die minimale Fokusposition z'_min bezüglich der Faseroberfläche 3a in den Faserkern 4 fällt. Idealerweise ist die Position z'_min gerade so zu wählen, dass der Abstand a (siehe 2b) dieser Position vom Zentrum des Faserkerns 4 gerade 0 ist. Jedoch bewirkt auch ein Verhältnis a/r (r Radius des Faserkerns) von 1 oder geringer bereits eine sehr gute Unempfindlichkeit von der Position z' gegenüber einer Änderung des Abstands d. Erfindungsgemäß wird somit die bezogen auf die optische Achse z bestimmte minimale Fokusposition z'_min gerade so gelegt, dass sie in den Faserkern fällt. Die minimale Fokusposition ist dabei diejenige Position, welche bei Ausrichtung von Laser 1, Fokussieroptik 2 und Zentrum des Faserkerns 4 auf einer gemeinsamen optischen Achse bei einer Variation der Strahltaillenposition z (bzw. bei einer Variation des Abstands d) festgestellte Fokusposition z', welche gleichzeitig einen möglichst geringen Abstand von der Faseroberfläche 3a aufweist und einem Minimalwert des z'(z)-Zusammenhangs entspricht. Bei der erfindungsgemäß optimalen Wahl der Rayleighlänge ρ (Kurve C in 2) ist der mögliche Bereich für den Fokus innerhalb der Faser 3 somit auf eine Hälfte der Faser (Halbzylinder der Faser, welcher der Oberfläche 3b zugewandt ist) beschränkt. Bei dieser Rayleighlänge ρ sind somit nur Fokuspositionen z' im Bereich des Kerns (bei Ausrichtung des optischen Systems 1a, 2 auf die Faser 3 bzw. Wahl der Fokusposition z des Strahls 1-2 so, dass die Fokusposition z' im Minimum zu liegen kommt), im Bereich der dem optischen System 1a, 2 abgewandten Seite der Faser und vom optischen System 1a, 2 aus gesehen hinter der Faser möglich.As 1 can be seen, sets the distance d between the focusing optics 2 and fiber surface 3a (together with the beam quality and the focal length of the lens 2 ) the distance z of the focus position of the still unbroken laser beam 1-2 from the fiber surface 3a firmly. How to now 2 and 3 The influence of the distance between the fiber and the focusing optics on the focal position z 'within the fiber can be restricted by suitable choice of the Rayleigh length. Namely, if the Rayleigh length is chosen exactly so that the position z ' _min within the fiber core 4 comes to rest, so the resulting focus position z 'is less sensitive to the distance d between the fiber 3 and focusing lens 2 , According to the invention, therefore, the Rayleigh length is just chosen so that the minimum focus position z ' _min with respect to the fiber surface 3a in the fiber core 4 falls. Ideally, the position z ' _min should be chosen so that the distance a (see 2 B ) of this position from the center of the fiber core 4 is just 0. However, even a ratio a / r (r radius of the fiber core) of 1 or less already causes a very good insensitivity from the position z 'to a change in the distance d. According to the invention thus with respect to the optical axis z certain minimal focus position z ' _min just placed so that it falls into the fiber core. The minimum focus position is the position which, when aligned by laser 1 , Focusing optics 2 and center of the fiber core 4 on a common optical axis with a variation of the beam waist position z (or with a variation of the distance d) detected focus position z ', which at the same time the smallest possible distance from the fiber surface 3a and corresponds to a minimum value of the z '(z) relationship. In the invention optimal choice of the Rayleigh length ρ (curve C in 2 ) is the possible area for the focus within the fiber 3 thus on one half of the fiber (half cylinder of the fiber, which is the surface 3b facing). With this Rayleigh length ρ are thus only focus positions z 'in the region of the core (in alignment of the optical system 1a . 2 on the fiber 3 or choice of the focus position z of the beam 1-2 so that the focus position z 'comes to lie in the minimum), in the area of the optical system 1a . 2 opposite side of the fiber and the optical system 1a . 2 seen behind the fiber.

Die gemäß vorliegender Erfindung optimale Wahl der Rayleighlänge ρ kann aus dem Faserradius R und dem Brechungsindex n der Faser (genauer gesagt, der Faserhülle; es kann jedoch für die Abschätzung auch der Brechungsindex des Faserkerns verwendet werden) mit

abgeschätzt werden.The optimum choice of the Rayleigh length ρ according to the present invention can be obtained from the fiber radius R and the refractive index n of the fiber (more precisely, the fiber cladding, but the refractive index of the fiber core can also be used for the estimation)

be estimated.

Diesem Fall entspricht die Kurve C in 2. Auf diese Weise liegt der Umkehrpunkt von fokussierender und defokussierender Wirkung der Faseroberfläche 3a genau bei der gewünschten Fokusposition im Faserkern, was die Positionierung bzw. Ausrichtung des optischen Systems auf die Faser möglichst leicht gestaltet. Mit anderen Worten bewirkt eine Verschiebung der Fokuslage z bzw. des Abstands d aus derjenigen Position (optimale Ausrichtung des Systems 1, 2 auf die Faser), bei der die Fokusposition z' die Minimumlage z'_min einnimmt, nur eine geringfügige Verschiebung der Fokusposition z', so dass die optimale Fokussierung hier ein Maximum an Stabilität erreicht.In this case, the curve C in 2 , In this way, the turning point is the focusing and defocusing effect of the fiber surface 3a exactly at the desired focus position in the fiber core, which makes the positioning or alignment of the optical system on the fiber as easy as possible. In other words, a shift in the focal position z or the distance d from that position (optimal alignment of the system 1 . 2 to the fiber), in which the focus position z 'occupies the minimum position z' _min , only a slight shift of the focus position z ', so that the optimum focus achieves maximum stability here.

In einem konkreten Fall wurde erfindungsgemäß der Faserkern 4 einer Standardtelekomfaser (Faserkerndurchmesser 2r = 9 μm, Manteldurchmesser bzw. Durchmesser 2R = 125 μm, Brechungsindex n = 1,453) strukturiert. Mittels der Gausstrahloptik (oben genannte Formel) wurde errechnet, wie der mögliche Fokussierungsbereich innerhalb der Faser von der Rayleighlänge ρ abhängt. Damit der Fokussierungsbereich auf eine Hälfte der Faser (der Oberfläche 3b zugewandte Hälfte) der Faser beschränkt ist und den Faserkern beinhaltet (damit somit das Minimum im Faserkern zu liegen kommt) muss in diesem Fall eine Rayleighlänge von 100 μm gewählt werden. Um diese Rayleighlänge mit einem Laser zu realisieren, der einen Strahldurchmesser von 4,8 mm bei einer Wellenlänge von 800 nm hat, wurde eine Linse mit einer Brennweite von 40 mm benutzt. Diese Brennweite ist jedoch nur ein grober Richtwert: Bei der Wahl der Linse muss das komplette optische System (Laser 1a samt Fokussierungssystem 2) mit den Geometrien der einzelnen Bauteile berücksichtigt werden, um letztendlich die korrekte Rayleighlänge ρ zu erhalten. Eine solche Berücksichtigung ist mit Hilfe einer numerischen Simulation mittels kommerzieller Raytracer, wie z.B. ZEMAX^®; OSLO^® oder Code V, möglich.In a specific case, according to the invention, the fiber core 4 a standard Telekomfaser (fiber core diameter 2r = 9 microns, jacket diameter water or diameter 2R = 125 μm, refractive index n = 1.453). By means of the gaussian optics (above mentioned formula) it was calculated how the possible focusing area within the fiber depends on the Rayleigh length ρ. So that the focusing area on one half of the fiber (the surface 3b facing half) of the fiber is limited and includes the fiber core (thus the minimum comes to rest in the fiber core) must be selected in this case, a Rayleigh length of 100 microns. To realize this Rayleigh length with a laser having a beam diameter of 4.8 mm at a wavelength of 800 nm, a lens with a focal length of 40 mm was used. However, this focal length is only a rough guideline: When choosing the lens, the complete optical system (laser 1a including focusing system 2 ) with the geometries of the individual components to finally obtain the correct Rayleigh length ρ. Such a consideration is with the aid of a numerical simulation using commercial ray tracer such as ZEMAX ^®; OSLO ^® or Code V possible.

4 zeigt das Ergebnis einer solchen numerischen Simulation für eine Faser mit n = 1.453 und einem Radius von R = 62,5 μm. Die Grenzen des Faserkerns mit Radius r = 4,5 μm liegen bei z' = 58 μm und z' = 67 μm. Die Figur zeigt eine Höhenliniendarstellung der Fokusposition z' innerhalb der Faser in Abhängigkeit vom Abstand d von Linse 2 zur Oberfläche 3a (horizontale Achse) und von der Dezentrierung der Linse in Richtung senkrecht zur optischen Achse und zur Zent ralachse der Faser (Richtung x in 1A, vertikale Achse). Das Simulationsergebnis zeigt, wie die Ausrichtung von der Faser 3 zur Fokussierungsoptik 2 die Position des Fokus z' innerhalb der Faser beeinflusst. Ist der Fokus z' weniger als 67 μm von der Faseroberfläche entfernt, so reicht er in den Faserkern 4 hinein. Die Simulation zeigt auch, dass der Fokus nicht näher als 58 μm an die Faseroberfläche 3a gelangen kann. Eine Strukturierung der oberen Hälfte der Faser (des der Laserquelle 1 zugewandten Halbzylinders der Faser 3) ist nicht möglich. 4 shows the result of such a numerical simulation for a fiber with n = 1.453 and a radius of R = 62.5 μm. The boundaries of the fiber core with radius r = 4.5 μm are z '= 58 μm and z' = 67 μm. The figure shows a contour line representation of the focus position z 'within the fiber as a function of the distance d of the lens 2 to the surface 3a (Horizontal axis) and the decentering of the lens in the direction perpendicular to the optical axis and the center axis of the fiber (direction x in 1A , vertical axis). The simulation result shows how the orientation of the fiber 3 to the focusing optics 2 affects the position of the focus z 'within the fiber. If the focus z 'is less than 67 μm from the fiber surface, it reaches into the fiber core 4 into it. The simulation also shows that the focus is not closer than 58 μm to the fiber surface 3a can get. A structuring of the upper half of the fiber (that of the laser source 1 facing half cylinder of the fiber 3 ) can not.

Erfindungsgemäß kann die Rayleighlänge ρ des Laserstrahls im Fokus dabei durch die Wahl der Wellenlänge λ des Lasers, der Brennweite der Fokussierungsoptik 2, des Strahldurchmessers des Laserstrahls 1 und/oder der Strahlenqualität des Laserstrahls beeinflusst werden. Unter Strahlenqualität ist hierbei die Beugungsmaßzahl M² zu verstehen, wie sie in der ISO-Vorschrift 11146 definiert wird.According to the invention, the Rayleigh length ρ of the laser beam in focus can be selected by selecting the wavelength λ of the laser, the focal length of the focusing optics 2 , the beam diameter of the laser beam 1 and / or the beam quality of the laser beam. Radiation quality here is to be understood as the diffraction factor M ² , as defined in ISO specification 11146.

Zur Ausrichtung des optischen Systems 1a, 2 auf die Faser 3 (also zur Einstellung eines solchen Abstands d bzw. einer solchen Fokusposition z, dass die Fokusposition z' im Minimum z'_min zum Liegen kommt, vergleiche Kurve C in 2) wird die Faser durch das optische System mit ultrakurzen Pulsen geringer Leistung bestrahlt. Die Bestrahlung zur Ausrichtung erfolgt mit einer Leistung knapp unter der Schwellleistung für eine permanente Brechzahländerung. Im konkret dargestellten Fall wurden 100 mW zum Ausrichten und 600 mW zum endgültigen Strukturieren verwendet (bei einer Pulsdauer von 50 Femtosekunden).For alignment of the optical system 1a . 2 on the fiber 3 (ie for setting such a distance d or such a focus position z that the focus position z 'comes to rest in the minimum z' _min , compare curve C in FIG 2 ), the fiber is irradiated by the optical system with ultrashort pulses of low power. The irradiation for alignment is done with a power just below the threshold power for a permanent refractive index change. In the case shown, 100 mW were used for alignment and 600 mW for final structuring (with a pulse duration of 50 femtoseconds).

Durch eine solche Bestrahlung ergibt sich eine charakteristische Lumineszenz im sichtbaren Spektralbe reich. Wenn sich der Laserfokus des Strahls 1-3 im Faserkern 4 befindet, ist dieses Lumineszenzleuchten am stärksten. Es kann wie in 5 skizziert mit einem Detektor (Photodiode, Photomultiplier oder Spektrometer) senkrecht zur Längsachse der Faser 3 und zum anregenden bzw. strukturierenden Laserstrahl 1 gemessen werden. In einer alternativen Ausgestaltungsform ist es möglich, dieses Lumineszenzleuchten an einem der Faserenden zu erfassen, wenn das Lumineszenzlicht von der Faser geführt wird. Im konkret gezeigten Fall entspricht eine Fokuslage von z' = 62,5 μm einer Fokuslage im Bereich des Faserkerns. Die gemessene Lumineszenz-Intensität im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 und 550 μm ist daher bei dieser Fokuslage am größten (o-Kurve). OSA steht in 5 für „Optical spectrum analyzer" (Spektrometer).Such irradiation results in a characteristic luminescence in the visible spectral range. When the laser focus of the beam 1-3 in the fiber core 4 is located, this luminescence is strongest. It can be like in 5 sketched with a detector (photodiode, photomultiplier or spectrometer) perpendicular to the longitudinal axis of the fiber 3 and to the exciting or structuring laser beam 1 be measured. In an alternative embodiment, it is possible to detect these luminescent lights at one of the fiber ends when the luminescent light is guided by the fiber. In the case shown concretely, a focal position of z '= 62.5 μm corresponds to a focal position in the region of the fiber core. The measured luminescence intensity in the visible spectral range between 380 and 550 μm is therefore greatest at this focal position (o-curve). OSA is in 5 for "Optical spectrum analyzer" (spectrometer).

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, wird die Positionierung des Fokus z' im Kern 4 der Faser mit einer geeigneten Optik 1, 2 (erfindungsgemäße Wahl der Rayleighlänge ρ) wesentlich erleichtert, da die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit deutlich geringer sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann zudem garantiert werden, dass die Brechzahländerung innerhalb der Faser nur in einem genau definierten Bereich stattfinden kann. Für das genannte Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass entlang der optischen Achse nur noch auf 100 μm genau und senkrecht zu ihr (x-Richtung) nur auf 40 μm genau positioniert werden muss (vgl. 4). Durch die erfindungsgemäße Wahl der Rayleighlänge ρ des zum Strukturieren benutzten Laserstrahls 1 werden somit die Positionierung und damit die Fabrikation von strukturierten Fasern erheblich erleichtert. Durch das Verfahren der Faser oder der Fokussierungsoptik mit gleichzeitiger Lumineszenzkontrolle (vgl. 5) kann eine einfache und reproduzierbare Justage des Systems erfolgen.As the above explanations show, the positioning of the focus z 'becomes the core 4 the fiber with a suitable optics 1 . 2 (inventive choice of the Rayleigh length ρ) much easier, since the requirements for the positioning accuracy are significantly lower. Due to the inventive design of the method can also be guaranteed that the refractive index change can take place within the fiber only in a well-defined area. For the mentioned exemplary embodiment, this means that along the optical axis only 100 μm and perpendicular to it ( x Direction) only needs to be positioned exactly to 40 μm (cf. 4 ). By the inventive choice of the Rayleigh length ρ of the laser beam used for structuring 1 Thus, the positioning and thus the fabrication of structured fibers are greatly facilitated. By the method of the fiber or the focusing optics with simultaneous luminescence control (see. 5 ) can be a simple and reproducible adjustment of the system.

Das erfindungsgemäße Positionierungs- und Strahlformungsverfahren lässt sich auf beliebige longitudinale Strukturierungen von lichtleitenden Faser anwenden: So können beispielsweise Stufenindexfasern, Gradientenindexfasern, mikrostrukturierte Fasern, Doppelkernfasern oder Hohlkernfasern strukturiert werden. Die Fasern können dabei dotierte oder undotierte Fasern sein. Aktive wie passive Fasern können strukturiert werden.The Positioning according to the invention and beam forming method on any longitudinal structuring of light-conducting Applying fiber: That's how you can do it For example, step index fibers, gradient index fibers, microstructured Structured fibers, double-core fibers or hollow core fibers. The fibers can be doped or undoped fibers. Active and passive fibers can be structured become.

Ein besonders vorteilhaftes Ziel der Strukturierung sind dabei Fasergitter: Eine periodische oder eine gechirpt periodische oder quasi periodische Brechzahländerung des Kerns oder eine gezielte Zerstörung im Faserkern ist möglich. Die Technik ermöglicht faserinterne, dielektrische Spiegel (sog. Faser-Bragg-Gitter), Modenkoppler, Gitter mit langer Periode (engl. „long period grating) und Dispersionsgitter.One Particularly advantageous goal of structuring are fiber gratings: A periodic or a chirped periodic or quasi-periodic refractive index change the core or a targeted destruction in the fiber core is possible. The Technology allows fiber-internal, dielectric mirrors (so-called fiber Bragg gratings), mode couplers, Lattice with long period (English: "long period grating) and Dispersive grating.

Solchermaßen longitudinal strukturierte Fasern finden viele Anwendungsgebiete von Sensorik über Telekommunikation bis hin zu hoch integrierten Faserlasern. Periodische und quasi periodische Gitter können auch benutzt werden, um mittels Quasiphasenanpassung nicht-lineare Effekte in Fasern zu begünstigen (z.B. Erzeugung der zweiten und dritten harmonischen).So longitudinal Structured fibers find many fields of application of sensors via telecommunications up to highly integrated fiber lasers. Periodic and quasi periodic grids can also be used to non-linear by means of quasi-phase matching To favor effects in fibers (e.g., generation of the second and third harmonic).

Claims

Method for structuring a light-conducting fiber ( 3 along its longitudinal axis, being along the optical axis z an optical system ( 1a . 2 ) by means of a laser ( 1a ) a laser beam ( 1 ) by focusing optics ( 2 ) and blasted onto the surface of the fiber ( 3 ), characterized in that the Rayleigh length ρ of the laser ( 1a ) and focusing optics ( 2 ) existing optical system ( 1a . 2 ) is set so that the minimum z ' _{min of} the relationship z' (z) between the beam waist position z 'of the optical system ( 1a . 2 ) facing surface ( 3a ) of the fiber ( 3 ) broken laser beam and the beam waist position z of this surface ( 3a ) incident laser beam in the region of the fiber core ( 4 ), with z and z 'starting from this surface ( 3a ) along the optical axis z are to be measured and wherein the minimum z ' _min in the following also called minimum focus position.

Method according to the preceding claim, characterized in that the ratio | a / r | from the distance a of the minimum focus position z ' _min from the center of the fiber core and from the radius r of the fiber core ( 4 ) is less than 2.0, preferably less than 1.5, preferably less than 1.0, preferably less than 0.75, preferably less than 0.5, preferably less than 0.25.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the deviation of the Rayleigh length ρ of

less than 50%, preferably less than 20%, preferably less than 10%, preferably less than 5%, preferably less than 2%, preferably less than 1% before less than 0.5%, is particularly preferred

where n is the refractive index of the fiber cladding and R is the radius of the fiber ( 3 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Rayleigh length ρ over the wavelength of the laser ( 1a ), the focal length of the focusing optics ( 2 ), the diameter of the laser beam ( 1 ) and / or the beam quality of the laser beam ( 1 ) is set.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the structuring of the fiber ( 3 ) the optical system ( 1a . 2 ) so on the fiber ( 3 ) that is aligned with the optical system ( 1a . 2 ) facing side ( 3a ) fiber waist position z 'of the laser beam refracted at the fiber surface coincides with the minimum z' _min .

Method according to the preceding claim, characterized in that the optical system ( 1a . 2 ) facing side ( 3a ) of the fiber surface related beam waist position z of the focusing optics ( 2 ) irradiated, not yet refracted on the fiber surface laser beam is varied to align the optical system ( 1a . 2 ) on the fiber ( 3 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam ( 1 ), the focusing optics ( 2 ) and a perpendicular to the central axis of the fiber ( 3 ) are aligned on a common optical axis.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that before structuring the fiber ( 3 ) are irradiated with ultrashort laser pulses and the luminescence of the fiber ( 3 ) is detected for aligning the optical system ( 1a . 2 ) on the fiber ( 3 ).

Method according to the preceding claim, characterized characterized in that the luminescence at an angle greater than 5 °, preferably from greater than 45 ° to the Central axis of the fiber or at an angle of 90 °, ie perpendicular to the central axis of the fiber, or that the luminescence is determined at one of the fiber ends.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that ultrashort laser radiation having a pulse length of less than 100 picoseconds, preferably less than 10 ps, preferably less than 1 ps, preferably less than 500 fs, preferably less than 100 fs, preferably less than 50 fs for aligning and / or longitudinal Structuring the fiber ( 3 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light-conducting fiber ( 3 ) is a step index fiber, a graded index fiber, a microstructured fiber or a double core fiber.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light-conducting fiber ( 3 ) is a doped or undoped fiber.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light-conducting fiber ( 3 ) is an active or a passive fiber.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber ( 3 ) a periodic, a chirped periodic or a quasi-periodic longitudinal structure is structured.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber ( 3 ) is structured as a fiber grating, in particular as a Bragg fiber grating, mode coupler or dispersion grating.

Arrangement comprising a laser ( 1a ), a focusing optics ( 2 ) and an unstructured, by laser radiation in the region of its core ( 4 ) structurable, light-conducting fiber ( 3 ), whereby the laser ( 1a ) along the optical axis z an optical system ( 1a . 2 ) a laser beam ( 1 ) by the focusing optics ( 2 ) and radiates onto the surface of the fiber ( 3 ), characterized in that the Rayleigh length ρ of the laser ( 1a ) and focusing optics ( 2 ) existing optical system ( 1a . 2 ) is set so that the minimum z ' _{min of} the relationship z' (z) between the beam waist position z 'of the optical system ( 1a . 2 ) facing surface ( 3a ) of the fiber ( 3 ) broken laser beam and the beam waist position z of this surface ( 3a ) incident laser beam in the region of the fiber core ( 4 ), with z and z 'starting from this surface ( 3a ) along the optical axis z to measure.